II. Описание лабораторного макета

Лабораторная работа № 10.

Исследование характеристик многоплечих узлов СВЧ - трактов.

Цель работы.

1. Изучение устройства и основных свойств волноводных направленных ответвителей и волноводных мостов.

2. Освоение методов измерения параметров волноводных направленных ответвителей и волноводных мостов.

Используемые приборы: измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18, датчик КСВ, детектор, коаксиальный кабель «измеритель-датчик КСВ», коаксиальный кабель «датчик КСВ-нагрузка», два коаксиально-коаксиальных перехода, два коаксиально-волноводных перехода, два направленных ответвителя, щелевой мост, две согласованные нагрузки.

I. Методические указания.

При подготовке к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить особенности распространения электромагнитных волн в ферромагнитных средах [1.4], основные свойства и параметры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе [2.2, 2.5], основные режимы работы волноводов и характеризующие их параметры [6.1 – 6.3], принцип работы и основные параметры направленных ответвителей [10.2] и волноводных мостов [10.3].

Волноводные направленные ответвители представляют собой два одноволновых волновода с общей широкой или узкой стенкой, в которой прорезаны отверстия связи между волноводами. Условное графическое обозначение в схемах направленных ответвителей параллельными друг другу волноводами приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное графическое обозначение направленных ответвителей.

У направленного ответвителя наряду с входным плечом, в которое поступает мощность от источника, и развязанным плечом, которое изолировано от входного, различают два выходных плеча — плечо прямой связи со входом, которое расположено в одном волноводе с входным плечом, и плечо направленной связи, которое расположено в одном волноводе с развязанным плечом.

Очевидно, что благодаря геометрической симметрии направленного ответвителя роль входного может выполнять любое из его плеч. Пусть, например, у направленного ответвителя, изображенного на рис. 1, входным является плечо 1; тогда плечо 2 будет плечом прямой связи со входом, 3 — развязанным плечом и 4 — плечом направленной связи.

Направленные ответвители представляют собой пассивные линейные реактивные взаимные четырехплечие узлы, обладающие следующими свойствами. Если волна от источника поступает во входное плечо, а к остальным трем плечам присоединены поглощающие оконечные нагрузки, то в идеальном случае мощность этой падающей волны без отражения от узла делится только между выходными плечами, а развязанное плечо оказывается полностью изолированным от входного — волна в него через узел не передается. Как правило, у направленного ответвителя происходит существенно неравное распределение мощностей между выходными плечами.

Рис. 2. Многодырочный направленный волноводный ответвитель

со связью через широкую стенку.

Основными параметрами направленного ответвителя являются.

· Переходное ослабление C — выраженное в децибелах отношение средних за период мощностей падающей волны во входном плече 1 и прошедшей из этого плеча волны в плече направленной связи 4

Таким образом, переходное ослабление равно ослаблению мощности между входным плечом и плечом направленной связи.

Если, например P_4-<<P₁₊ и, следовательно, переходное ослабление принимает большие значения, то имеем направленный ответвитель со слабой связью.

· В реальном направленном ответвителе в развязанное плечо поступает некоторая мощность. Количественно это явление характеризует направленность D — выраженное в децибелах отношение средних за период мощностей волн в плече направленной связи 4 и в развязанном плече 3

У идеального направленного ответвителя P_3–=0 и направленность D равна бесконечности.

На рис. 1 верхнее число означает переходное ослабление, нижнее — направленность.

· Коэффициент стоячей волны ρ во входном плече.

Для определения переходного ослабления (1) следует измерить ослабление мощности между входным плечом 1 и плечом направленной связи 4.

Для определения направленности нужно измерить также ослабление мощности между входным 1 и развязанным плечами 3 в дБ

а затем вычислить направленность в дБ

Изучаемые в работе направленные ответвители относится к типу волноводного направленного ответвителя с ненаправленными элементами связи. Он состоит из двух отрезков прямоугольного волновода сечением 23x10 мм, имеющих на некотором участке общую широкую стенку. В стенке имеется система отверстий, соединяющих внутренние пространства обоих отрезков волновода. У отрезка основного волновода конец 1 открыт и имеет фланец, а на 2 жёстко закреплена внутренняя согласованная с волноводом оконечная нагрузка. Открытые концы вспомогательного волновода 3 и 4 обращены в противоположные стороны и имеют фланцы. Электромагнитная энергия попадает в основной волновод через вход 1. Через отверстия связи она частично ответвляется во вспомогательный волновод.

Волноводный мост представляет собой пассивный линейный реактивный взаимный четырехплечий узел, обладающий следующими свойствами. Если волна от источника поступает во входное плечо моста, а к остальным трем плечам присоединены поглощающие оконечные нагрузки, то в идеальном случае мощность падающей волны без отражения от узла делится поровну только между двумя выходными плечами, а одно плечо оказывается полностью развязанным (изолированным) от входного — волна в него через узел не передается.

Поскольку узел является взаимным, то из этих свойств следует, что у моста плечи попарно развязаны. Пусть, например, развязаны между собой плечи 1 и 3, 2 и 4 (см. рис. 3, на котором приведено общее условное графическое обозначение мостов в схемах). Если при этом входным является плечо 1, то изолированным — плечо 3 и выходными — плечи 2 и 4.

Рис. 3. Общее условное графическое обозначение мостовых схем.

Основными параметрами волноводного моста являются.

· Развязка между входным и изолированным плечами Т — выраженное в децибелах отношение средних мощностей падающей волны во входном плече и волны в изолированном плече

Таким образом, развязка равна ослаблению мощности межу входным и изолированным плечами. В идеальном случае P_3-=0, и развязка равна бесконечности.

· Неравномерность деления мощности R — выраженное в децибелах отношение средних мощностей в выходных плечах моста:

В идеальном случае P_2-=P_4-=0,5 P₁₊ и R=0 дБ.

· Коэффициент стоячей волны КСВ во входном плече.

Двойной волноводный тройник (двойное Т - образное соединение волноводов) представляет собой соединение в одном узле одноволновых Н- и Е-тройников, плоскости симметрии которых совмещены (рис. 4).

Рис. 4. Двойной Т – мост и его условное графическое изображение.

Н-тройник образован плечами 1, 2 и 4; Е-тройник — плечами 2, 3 и 4. Входящее в Н-тройник плечо 1, ось которого лежит в плоскости симметрии, называют плечом Н двойного тройника; а входящее в Е-тройник плечо 3, ось которого лежит в плоскости симметрии, называют плечом Е. Оставшиеся два плеча 2 и 4 называют боковыми.

Узел, изображенный на рис. 3, приобретает все отмеченные выше свойства моста только после согласования его со стороны плеч Н и Е, причем развязанными между собой являются плечи Н и Е и боковые плечи 2 и 4. Следовательно, при входном плече Н или Е выходными оказываются боковые плечи 2 и 4, а при входном боковом плече 2 или 4 выходными оказываются плечи Н и Е.

Двойной волноводный тройник имеет сравнительно широкий диапазон рабочих частот, определяемый полосой, в пределах которой сохраняется хорошее согласование узла со стороны плеч Н и Е, и при КСВ<1,1 достигающий 10–15% от средней частоты f, на которой было осуществлено согласование. Основным недостатком двойного тройника являются большие габариты.

На рис. 5 изображен кольцевой мост, который состоит из свернутого в кольцо в плоскости Е одноволнового прямоугольного волновода и присоединенных к нему четырех плечей, образующих с кольцевым волноводом Е-тройники.

Рис. 5. Кольцевой мост и его условное графическое изображение.

Периметр кольца равен 1,5λ_в (где λ_в —длина волны в волноводе), плечи присоединены к кольцу через три одинаковых интервала в λ_в/4.

При поступлении мощности на средней частоте f (которой соответствует длина волны в волноводе λ_в) в одно из плеч моста она делится поровну между двумя плечами, примыкающими с обеих сторон ко входному, а четвертое плечо оказывается развязанным. Например, в случае входного плеча 3 выходными плечами являются 2 и 1, а развязанным — 4.

С отходом от средней частоты быстро нарушаются согласование моста со стороны входного плеча, одинаковое распределение мощностей между выходными плечами и изоляция развязанного плеча. Основными недостатками кольцевого моста являются сравнительно узкая полоса рабочих частот (около 5% от рабочей частоты) и большие габариты.

Волноводный щелевой мост состоит из двух прямоугольных одноволновых волноводов, связанных между собой щелью (по всей высоте волновода) в общей узкой стенке (рис. 6).

При определенной длине щели l, зависящей от рабочей частоты f и согласовании узла, например, при помощи штыря, вводимого в середине щели, мощность, поступающая во входное плечо 1, делится поровну между выходными плечами 2 и 4, причем волна в плече 4 отстает по фазе на π/2 от волны в плече 2, а плечо 3 оказывается развязанным. Благодаря геометрической симметрии моста аналогичное деление мощности и соотношения фаз в выходных плечах имеют место при входе волны в любое другое плечо.

Рис. 6. Волноводный щелевой мост и его условное графическое изображение.

Полоса рабочих частот щелевого моста определяется допустимой неравномерностью распределения мощностей между выходными плечами и достигает 10–15% от средней частоты при которой мощность делится пополам. Малые габариты и широкополосность являются важными достоинствами щелевого моста.

Для определения развязки (5) следует измерить ослабление мощности между входным и развязанным плечами.

Для определения неравномерности деления мощности (2) следует предварительно измерить ослабления мощностей между входным и каждым из выходных плечей моста

а затем вычислить неравномерность деления мощности R в дБ:

Перед тем, как приступать к выполнению работы необходимо:

1. Изучить по периодическим материалам ассортимент направленных ответвителей и мостовых схем СВЧ, предлагаемых на российском рынке.
2. Составить таблицу основных характеристик направленных ответвителей и мостов.
3. Сравнить параметры и области применения волноводных, коаксиальных и и полосковых направленных ответвителей и мостов.

II. Описание лабораторного макета.

Блок-схема лабораторной установки для измерения параметров направленного ответвителя представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема измерения КСВ и переходного ослабления направленного ответвителя.

Она содержит измеритель Р2М-18, работающий в режиме измерения коэффициента передачи и коэффициента отражения, датчик КСВН, детектор, два коаксиально-коаксиальных перехода (на рис. 7 не показаны), два коаксиально-волноводных перехода, согласованную нагрузку и исследуемый направленный ответвитель.

Схема лабораторной установки для измерения параметров волноводного щелевого моста представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема для измерения развязки волноводного щелевого моста.

Она содержит измеритель Р2М-18, работающий в режиме измерения коэффициента передачи и коэффициента отражения, датчик КСВН, детектор, два коаксиально-коаксиальных перехода (на рис. 8 не показаны), два коаксиально-волноводных перехода, две согласованные нагрузки и исследуемый волноводный щелевой мост.

Измеритель Р2М-18, изображение которого приведено на рис. 9, предназначен для измерения модуля коэффициента отражения или коэффициента стоячей волны по напряжению (далее КСВН) и модуля коэффициента передачи (ослабления и усиления) в диапазоне частот от 0,01 до 18,00 ГГц.

Рис. 9. Расположение разъемов и гнезд на передней панели измерителя.

1 - «A» – вход A (по умолчанию – для подключения датчика КСВН);

2 - «B» – вход B (по умолчанию – для подключения детектора);

3 - «R» – вход R (по умолчанию – для подключения детектора опорного

сигнала в режимах измерений "A/R" и "В/R");

4 - «СВЧ» – выходной разъем синтезатора частот

5 - кнопка отключения СВЧ колебаний;

6 - «Мощность» – индикатор наличия колебаний на выходе "СВЧ";

7 - «Захват» – индикатор работы системы ФАПЧ;

8 - «Уровень» – индикатор работы системы АРМ;

9 - «Вкл.» – выключатель питания измерителя;

10 – Индикатор выключателя питания измерителя.

Прибор работает в составе с ЭВМ, которая выполняет ряд вычислительных функций и обеспечивает панорамное отображение результата измерений.

Измеритель Р2М-18 может работать в качестве индикатора мощности и синтезатора частот.

Область применения – производство и контроль ВЧ и СВЧ устройств и оборудования, исследование, настройка и испытания СВЧ узлов, используемых в радиоэлектронике, связи, приборостроении, измерительной технике.

При эксплуатации измерителя:

• ЗАПРЕЩАЕТСЯПРОИЗВОДИТЬ СОЕДИНЕНИЕ ИЛИ РАЗЪЕДИНЕНИЕ КАБЕЛЯ ETHERNET И СЕТЕВОГО ШНУРА ПРИ ВКЛЮЧЕННОМ ПИТАНИИ;

• ЗАПРЕЩАЕТСЯПРОИЗВОДИТЬ ИЗМЕНЕНИЕ СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ (КАЛИБРОВКИ) ПРИ НАЛИЧИИ КОЛЕБАНИЙ НА ВЫХОДЕ "СВЧ";

• ЗАПРЕЩАЕТСЯНАРУШАТЬ ЗАЩИТНЫЕ ПЛОМБЫ, ПРОИЗВОДИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РЕМОНТ.

Для управления измерителем и отображения результатов измерения на экране ЭВМ предназначена программа P2M, работающая под управлением операционной системы Microsoft ® Windows ® 2000/XP.

Программа P2M предназначена для управления измерителями серии Р2М, обработки и отображения результатов измерений.

Программа P2M представляет собой MDI-приложение (Multiple Document Interface), управляющее множеством «дочерних» окон внутри одного «родительского» окна. Каждое «дочернее» окно представляет собой виртуальный прибор с некоторым набором параметров. Часть параметров касается программной части прибора, другая часть передаётся в измеритель. Виртуальные приборы (окна) могут работать одновременно (с разными измерителями) – с разделением времени в компьютере и параллельно в измерителях.

На рисунке 10 изображено окно программы P2M в режиме измерения модуля коэффициента передачи и коэффициента отражения.

Рис. 10. Окно программы P2M в режиме измерения модуля КП и КО.

Элементы управления программы, пронумерованные на рис. 10, имеют следующее назначение:

1 – статусная строка, в четырёх полях которой отображаются:

– подсказки, при наведении указателя "мыши" на элемент управления;

– сообщения об ошибках;

– температура блока формирователя прибора (два значения при работе с Р2М-18);

– состояние кнопки СВЧ на передней панели прибора;

2 – шкала оси абсцисс (в режиме измерения модуля КП и КО это ось частот);

3, 21 – трассы левого и правого каналов индикации, отличаются цветом, соответствующим цвету надписи на шкале 7 или 23;

4 – связь между маркерами;

5 – окна индикации маркеров;

6 – маркеры;

7 – шкала левого канала индикации;

8 – «стопка» неиспользуемых маркеров;

10, 9 – кнопки Старт и Стоп на панели инструментов «дочернего» окна;

11 – кнопка Новый на панели инструментов «родительского» окна;

12 – меню;

13 – кнопка чтения с диска настроек программы (профиля);

14 – кнопка сохранения на диске профиля;

15 – кнопка Горячие профили;

16 – кнопка скрытия/отображения окон индикации маркеров;

17 – кнопка чтения с диска конфигурации маркеров;

18 – кнопка сохранения на диске конфигурации маркеров;

19 – кнопка Менеджер отчётов;

20 – кнопки запоминания трасс;

22 – область построения графиков;

23 – шкала правого канала индикации;

24 – ярлык панели управления;

25 – панель управления.

Пункт «Параметры отображения» в меню «Вид» позволяет отобразить или скрыть диалог (рис. 11), позволяющий задать параметры отображения графика.

Рисунок 11. Параметры отображения.

Как видно из рис. 11 диалог «Параметры отображения» позволяет задать точность ввода/отображения частоты – 1 кГц или 1 Гц, в соответствующих полях ввода панели управления. В закладке «Трассы» задаются параметры линий графика, которые сказываются как при отображении на экране, так и при подготовке и печати отчёта.

На рис. 12 изображены кнопки чтения и сохранения профилей, позволяющие считать с диска или сохранить текущий набор параметров, включая конфигурацию маркеров. В профиле сохраняются все параметры за исключением данных калибровки. После нажатия кнопки чтения или сохранения профиля отображается стандартный диалог открытия или сохранения файла.

Рис. 12. Кнопки управления профилями

Профиль может загружаться нажатием комбинации клавиши или выбором из списка «горячих» профилей. Список появляется после нажатия кнопки «Горячие профили», как показано на рис. 13. Перечень «горячих» профилей и соответствие комбинациям клавиш задаётся в диалоговом окне появляющемся при выборе пункта «Настроить горячие профили…» (рис. 13).

Рис. 13. Настройка "горячих" профилей.

После выбора пункта «Настройки программы» в меню «Настройки» отображается диалог, приведённый на рис. 14.

Рис. 14. Настройки программы.

При установленном флажке «Сохранять настройки при выходе из программы» при завершении программы автоматически сохраняются текущие настройки, а при старте восстанавливаются. Для этого используются отдельные профили для каждого из трёх типов окон. При закрытии дочернего окна настройки сохраняются в соответствующем профиле. При создании дочернего окна считывается соответственный выбранному режиму профиль. При сброшенном флажке ранее автоматически сохранённые профили игнорируются.

Флажок «Скрыть панель инструментов главного окна» позволяет скрыть панель инструментов родительского окна и освободить занимаемую панелью площадь экрана.

При установленном флажке «Запоминать позицию главного окна» сохраняются координаты и размеры окна приложения, которые при старте программы восстанавливаются.